张明江 任强 梁俊伟

【摘要】国内变电站智能辅助监控系统主要监控对象为变电站场站环境，而不是针对运行设备。本文主要设计一套针对变电站室内外运行设备的智能安全辅助监控系统，包括断路器断电保护、视频监控、无线测温、环境监测、消防告警等功能；建立无人值守变电站安全辅助信息的逻辑和推理模型，讨论对故障告警信息的分类和过滤策略，自动报告变电站异常，提出故障处理指导意见。系统的智能告警及分析决策能力，可根据变电站各监测单元返回的变电站各项数据，运用分析决策机制获得分析结果，并将分析结果以可视化界面综合展示，值班员可根据分析结果进行人工远程操作，也可授权平台自动完成远程控制动作。

【关键词】高寒；无人值守；智能；辅助监控

一、引言

随着近年来我国电网规模急剧扩大，新投运的变电站数量的成倍增长。为提高生产管理效率，转变生产方式，新变电站都按照无人值守变电站进行设计和运行，传统有人值守变电站也已进行无人值守化升级改造。但是从有人值守到无人值守的转变绝不仅仅是人员撤离那么简单。如何切实提高变电站设备运行管理水平，切实保证变电站的安全运行，有效实现对变电站的运行主设备及辅助设施的监控及管理，把握设备的实时运行状况成为研究的主题。在我国东北等高寒地区，冬季气温可达-40℃，冬季对高压设备运行状态及变电站环境监测尤为重要，并且对监测设备的低温运行也提出了更高的挑战。

黑龙江省电科院经过对黑龙江省部分无人值守变电站的考察，发现存在如下问题：

1）变电站内的隔离开关、断路器等设备没有实现在线测温，需要巡视人员定期人工测温，数据受人为因素影响较大，漏测情况时有发生，当设备温度出现异常时关键点温度数据不能及时上传，故障无法及时被发现。

2）变电站室内关键场所（如：计算机房、继电保护小室、开关室、蓄电池间）没有温、湿度信息采集设备及自动调温设备，冬季靠暖气供热，一旦发生暖气临时中断现象，（如蓄电池间）设备在低温环境下运行，性能及寿命将受到严重影响；机房空调与温、湿度监测单元没有形成闭环联动，无法通过集控站干预空调等调温、湿设备的运行。

3）调度对站内隔离开关及断路器进行远程分合操作时，由于隔离开关电机或断路器储能机构故障，有时会出现分合动作不正常的状况，超过规定时间后，可能出现烧毁电机或断路器分合闸线圈的现象；同时由于隔离开关机械设计的原因，隔离开关动作时可能出现对应辅助节点无反应的问题，结果导致变电站后台监控画面的隔离开关分合显示错误。

4）早期变电站隔离开关执行机构箱、端子箱及断路器汇控箱内温度监控及自动加热设备并不完善（甚至根本没有配备），部分监控单元已损坏，不能有效实现温度上传及自动加热、排风功能，在冬季存在部分箱体内二次回路异常的情况。

5）自变电站按无人值守运行模式运行以来，利用自动化设备的“四遥”功能，可实时检测有载调压变压器分接开关挡位位置，通过监控系统相应的硬件配置实现有载调压的远方控制，以有效提高电压质量。但是由于各种原因，有载调压变压器分接开关在运行中会出现档位切换不到位的情况，档位测点的远方传送及必要的遥控返校过程使其实时性受到影响，影响了无人值守变电站内主变压器的安全运行。

6）变电站内烟雾报警装置没有集中管理，没有与消防系统构成完整闭环控制系统，在变电站发生火灾等事故时，不能及时启动消防设备扑救。

为解决上述问题，我们将根据目前黑龙江省内220kV及以下无人值守变电站的实际工作现场条件，研发一套无人值守变电站智能安全辅助监控系统，将变电站内安全辅助设备、高压监测设备、消防设备进行集中管理，通过现有电力通信网与集控站（或地区调度）进行双向数据交互，不但使集控站能及时准确地掌握无人值守变电站各关键点的状态参数，而且能实现自动或值班员手动远程控制变电站安全辅助设备的启停的目标，为无人值守变电站的安全运行保驾护航。

二、国内外研究水平综述

国外发达国家现已全面进入变电站无人值守阶段，所有监控信息均实现远程监控及操作，将监测的重点放在变压器、SF6开关及GIS设备、电力电缆、MOA等关键设备监测技术的发展上，可以实现对变电站内设备进行综合性诊断监测。如：法国阿尔斯通公司开发了变压器状态监测系统，通过局域网可实现对变压器顶层油温、环境温度、变压器负载电流、三相电压、绝缘油气体组分、有载开关分接位置、风扇切换状态、铁芯、夹件、高压套管绝缘等在线状态的监测；美国通用电气开发了集成变电站监测与诊断系统，实现断路器状态监测，同时可实现冷却系统和有载调压开关的最优动态控制，通过局域网实现了状态监测与状态维修。且发达国家如美国在无人值守变电站的基础上大力推广智能变电站，所以其变电站建设的总体规划更加智能化，可靠性更高。

我国十年前开始逐步推广变电站的无人值守改造与建设，但在初期仅仅实现基本的遥测、遥信、遥控、遥调等基本功能，部分实现了红外监测、气体监测的功能。国内变电站智能辅助监控系统集成了视频监控子系统、环境监测子系统、消防告警子系统、门禁子系统和控制子系统等相关辅助子系统。但其主要监控对象为变电站场站环境，而不是针对运行设备。更没有将隔离开关及断路器的断电保护、隔离开关、开关柜及接头温度监测、汇控箱的温度监测、蓄电池间自动控温系统以及烟雾报警与消防喷淋系统集中在一个综控平台，没有实现综合智能化管控等高级功能。

三、理论和实践依据

3.1原理简述

针对变电站室内外运行设备，设计一套智能安全辅助监控系统，要求该系统包括视频监控、无线测温、环境监测、消防告警等功能；同时在确保不影响系统功能及监控效果的前提下，对系统结构进行优化。建立无人值守变电站安全辅助信息的逻辑和推理模型，讨论对故障告警信息（如温度、湿度及烟雾）的分类和过滤策略，根据变电站的运行状态展开在线实时分析和推理研究，最终实现以报表（或画面形式）自动报告变电站异常，并提出故障处理指导意见供值班员参考。建立一套基于多目标协调控制原理的智能安全辅助监控系统，该系统可作为一个功能模块纳入集控站现有中心监控系统，也可单独自成一体并与中心监控系统实现数据共享，该系统具有智能告警及分析决策能力，可根据变电站各监测单元返回的变电站各项数据，运用分析决策机制获得分析结果，并将分析结果以可视化界面综合展示，值班员可根据分析结果进行人工远程操作，也可授权平台自动完成远程控制动作。

3.2理论和实践依据

（1）视频图像监控技术不断发展促进了“遥视”在电力系统的应用。

目前已有相当多的变电站实现了遥测、遥信、遥控、遥调功能。基于已有“四遥”的成熟经验，利用当今数字图像技术的发展，“遥视”技术也得到广泛应用。电力调度部门通过遥视可远程监视变电站的设备及现场环境。“遥视”作为传统“四遥”的补充，进一步提高了电力自动化系统的安全、可靠性。利用“遥视”技术，不但可以解决开关场隔离开关分合状态的监视，而且可以与烟雾报警设备组合，由集控站值班员根据烟雾报警信号和在线视频资料完成对火警的二次确认，继而正确启动消防喷淋系统，保证站内消防系统启动的可靠性。同时，可以利用“遥视”技术对变压器调压分接头是否到位进行人工确定，继而采取恰当的控制手段完成变压器调压。该技术的应用为电力安全生产提供了有效的辅助手段，大大加强了对无人值守变电站的管理力度。

（2）无线通信技术的日益成熟使变电站内设备运行无线化成为可能。

ZigBee技术的短距离无线通信开始应用于电力设备的状态监测，最常见的是基于Zigbee协议的电力无线测温系统，它将ZigBee技术与传感器技术结合，应用于电力温度数据采集监测系统中。本项目我们考虑利用多种测量手段采集隔离开关、断路器的分合状态、母线、电缆、开关柜中的开关触点、电缆接头温度信息。

（3）工业以太网工程实践案例丰富，技术成熟，可以作为智能安全辅助监控系统平台的首选组网方式。

大型枢纽变电站，特别是220kV以上电压等级变电站节点数目多，站内分布成百上千，数据信息流大，对速率指标要求高，工业以太网能很好满足上述要求。本项目中我们计划采用以太网技术（或现场总线技术）实现站内各监测及控制单元与控制后台的双向通讯管理。

3.3研究的关键和难点

（1）如何保证安装在室外开关场内的测温终端在超低温环境下稳定运行，以及如何解决强对流气象条件下环境温度对测温探头测温精度的负面影响。

（2）隔离开关驱动电机或断路器弹簧储能不能正常动作时，切断操作机构电源保护电气设备及控制回路的方法研究，以及调度遥信信号错误判别的研究。

（3）在高压、强电磁干扰环境下，如何保证电子监视设备能够正常运行并及时准确的通过无线发射器将数据上传至中继器。

（4）如何实现视频摄像头与故障点的智能联动，当有故障发生时，如何保证摄像头能及时准确的定位故障点并同步向集控站（或调度）传送图像信息，同时向值班员发出安全报警信号。

四、研究内容和实施方案

1）研究内容

（1）高纬度无人值守变电站在高寒条件的设备工作特点及运行规律研究。

面向黑龙江省内220kV及以下变电站，收集冬季主要设备历史运行状态数据，重点对室外各种隔离开关、断路器、汇流柜、室内开关柜、蓄电池组、电容室、所用变压器等设备的运行特点进行研究，总结此类设备的运行规律及工作特点，为下一步监测终端的科学配置及安全辅助监控系统搭建打下基础。

（2）低温强对流气象条件下，研究保证监测终端运行寿命及配套传感器精度的方法研究。

黑龙江省处于我国的东北寒冷地带，冬季部分地区最低气温可达零下40度以下，同时经常伴有大风、降雪等强对流天气，安装在站内室外的监控终端设备内含有大量电子元器件，如何抑制运放及模拟器件的温漂、减少低温对传感器测量精度的负面影响、延长电池寿命、保证监控终端设备在低温环境下正常安全运行是本项目的研究内容之一。

（3）开关场强电磁干扰环境下，无线监测单元电子主板抗电磁干扰措施及降低射频传输数据误码率研究。

为了能够及时准确地获取站内室外一次设备的运行情况，我们需要在开关场内安装基于射频技术的无线监测单元，这些监测单元大都直接安装在隔离开关、线路、变压器的附近，不可避免地会受到强电磁干扰的影响，采取何种抗干扰措施保护监测单元电子主板安全，较低电磁场对射频功率模块的影响，降低无线传输数据误码率将是本项目研究的内容之一。

（4）智能安全辅助监控系统整体设计与结构优化、实现调度SCADA系统与辅助监控系统数据共享的研究。

选取具有代表性的变电站，针对此变电站的实际情况，有针对性地设计一套智能安全辅助监控系统，要求该系统包括隔离开关故障保护、视频监控、无线测温、环境监测、消防告警等功能。

（5）基于监测信息的智能告警及分析决策方法研究。

建立无人值守变电站安全辅助信息的逻辑和推理模型，讨论对故障告警信息（如温度、湿度、烟雾及隔离开关或断路器异常）的分类和过滤策略，根据变电站的运行状态展开在线实时分析和推理研究，最终实现以报表（或画面形式）自动报告变电站异常，并提出故障处理指导意见供值班员参考。

2）实施方案

（1）项目前期资料收集与现场调研

主要对国内外相关领域的学术论文、报告以及技术资料进行收集，从中筛选出有参考价值的资料进行认真研究比对，形成结论性材料。结合已有现场数据和运行参数，对省内高纬度无人值守变电站在高寒条件的设备工作特点及运行规律展开深入研究。

（2）监控单元核心技术攻关

认真研究目前国内外无人值守变电站所使用的前沿监控技术，针对高寒地区冬季时间长、气温低的特点，重点对监控单元的低温条件工作性能进行研究，并考虑抗电磁干扰措施，提出能够满足工程要求的设计方案，并形成实验样机，利用本院完备的实验环境，对实验样机进行低温和电磁干扰测试，检验其运行稳定程度、测量精度和使用使用寿命。

（3）系统整体结构设计

根据项目的要求及需求分析，按照变电站运行的不同功能需求，我们计划将智能安全辅助监控系统按功能分为8个子系统。系统主要包括隔离开关故障保护、视频监控、无线测温、环境监测、消防告警、和远程控制8个子系统。系统建设将以辅助控制系统平台为核心，实现各子系统间的信息共享及互动。

（4）各监控子系统设计与开发

A、隔离开关故障保护子系统

在隔离开关操作机构电源侧加装电源切断装置，隔离开关驱动电机或断路器弹簧储能不能正常动作时，切断操作机构电源保护电气设备及控制回路，切断装置与调度后台（SCADA）互联，切断装置动作的同时向SCADA系统发送动作信号以免发生错误判别，视频监控系统弹出相应隔离开关实时画面，发出声光报警信号。

B、视频监控子系统

利用枪式摄像机主要监控刀闸触点状态、变压器有载开关分接头位置等设备信息，球型摄像机监控场站环境状态信息。系统通过摄像机采集的现场图像，经编码器和视频服务器后，视频信号直接变换成数字信号进入网络系统，各监控点的实时图像经光纤或其它网络系统传输到控制中心，在控制中心或利用移动终端实现对现场设备的实时监视与控制，实现视频联动。

C、无线测温子系统

无线测温子系统采用短程无线测量技术采集温度数据并汇聚于一点，再通过远程（GPRS/CDMA）无线网络传输，实现数据的无线传输。无线测温模块可以采用高能电池供电或无源SAW传感器，以减少高低压之间的电气联系，采用全数字方式工作。无线测温模块把温度信号通过无线的方式直接或经过无线中继站传送给无线汇聚终端，无线汇聚终端可以接收多个测温模块发送来的数据。采用短程无线网络的方式，多个测温模块分布在无线汇聚终端模块的周围，在有效的通讯范围内可以随意添加、删除、移动测温模块。无线发射器采用专用频段，使功率控制不对变电站内设备造成干扰。

D、环境监测子系统

该子系统能对站内的温度、湿度、风力、水浸、SF6浓度等环境信息进行实时采集、处理和上传，采集周期小于5秒；环境信息数据的变化上传智能辅助控制系统，可设置不同级别的环境量告警信息。环境量超限报警联动，当环境量超过报警限值时，根据设置好的联动预案，自动联动相关摄像头的预置点，并进行告警录像。一个环境量支持联动多路视频，即当一个环境量超限报警时，可以同时联动多个摄像机，从不同角度不同方位将现场的信息传到监控中心。越限可以联动声光报警、短信报警、启动相应子系统（温湿度关联取暖系统、水浸关联给排水系统）等预案，同时将数据转发上传至统一信息平台。

E、消防告警子系统

此系统将消防设备提供的通信数据、干接点信号或区域性的有源信号，通过以太网数据采集器传送到消防告警子系统，实时监测每个区域的火灾情况。消防设备一旦发生报警，消防告警子系统立即以声音报警、文字提示、电子地图和弹出实时图像等多种形式报出警情，并向预先设定的固定电话自动播放告警语音、向预先设定的手机发送告警短信，同时把信号上传至智能辅助监控系统。视频监控子系统通过智能辅助控制系统接收到火警信息后，相应采取一系列措施，如调用相应预置位、视频监控子系统中弹出视频窗口、自动巡航相关区域等，并把火警信号转发上传至统一信息平台。消防告警子系统以文字方式显示报警事故的时间、地点和报警状态。警情处理解除后，报警纪录以历史记录的方式存在系统的数据服务器中。同时系统具有报警查询、数据导入导出、权限管理等功能。

F、远程控制子系统

远程控制子系统（照明系统、采暖系统、给排水系统）根据事件（如消防报警、温湿度报警、水浸报警）自动对站内设备进行开启和关闭操作，位于集控站的值班员也可在统一信息平台及智能辅助控制系统中控制设备的开启和关闭。支持本地/远程控制电暖气、排风扇、抽水泵的启动和关闭。

G、智能巡检子系统

智能巡检子系统是依托视频监控子系统、无线测温子系统、环境监测子系统，单独开发的远程变电站巡检系统，巡检人员只需在电脑前选择智能巡检，系统就能根据预设的巡检程序通过高清摄像头对关键设备进行远程巡检、播放巡检画面，自动生成巡检报告。

H、变电站智能安全辅助监控系统平台

此平台安装于集控站，可作为一个功能模块纳入集控站现有中心监控系统，也可单独自成一体并与中心监控系统实现数据共享，该平台具有智能告警及分析决策能力，可根据变电站各监测单元返回的变电站各项数据，运用分析决策机制获得分析结果，并将分析结果以简洁明了的可视化界面综合展示，值班员可根据分析结果进行人工远程操作，也可授权平台自动完成远程控制动作。

五、小结

本项目完成后，形成的无人值守变电站智能安全辅助监控方案能够为后续智能变电站建设提供参考，建成的监控平台可实现变电站后台、各级集控站与调度之间的信息共享和信息互动，并对相关环节实现智能化管理，从而为变电站降低运维成本、优化资源配置、提升运行效率及安全生产提供重要保障。本系统建成后将实现以下功能：

A、能清晰监视站内设备，如主变压器、各类高压电器断路器以及隔离开关等重要设备的外观状态，主闸刀的分合状态，线路及设备的接地情况以及操作人员的操作情况等，满足大范围、近距离监视的要求；

B、对变电站室内主要电气设备、关键设备安装地点（如二次设备室、高压室、低压室、通信室、站用变室、蓄电池室等）以及周围环境进行全天候的状态监视，对集控站在线实时上传数据，并执行值班员发出的遥控指令；

C、对主要电气设备如隔离开关、电缆头、开关柜触点、其他接触点发热部件以及断路器执行机构箱进行实时温度在线监测，对温度超标设备提供报越限警信号；

D、通过和站内自动化系统、其他辅助子系统的通讯，对现有监控装置进行整合，能实现用户自定义的设备联动，包括现场设备操作联动，烟雾报警喷淋消防、SF6监测、视频监控、报警等相关设备联动。并可以根据变电站现场需求，完成自动的闭环控制和告警，如自动启动/关闭空调、电暖气等、自动启动/关闭风机、自动启动/关闭排水系统等；

E、以网络通信（IEC61850协议）为核心，完成各变电站环境数据、火灾报警信息的采集和监控，并将以上信息远传到集控中心或调度中心。